機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用研究

王曉健 侯緒杰 姜少燕

(濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261367)

引言

機(jī)器人的視覺(jué)技術(shù)簡(jiǎn)稱為機(jī)器視覺(jué)，起源于20世紀(jì)60年代的美國(guó)。其原理是利用計(jì)算機(jī)編寫出來(lái)的程序來(lái)使機(jī)器人擁有類似于人類的視覺(jué)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人擁有人類視覺(jué)的智能行為。但是剛開(kāi)始這項(xiàng)技術(shù)并不應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)中，直到70年代末期人們發(fā)現(xiàn)將這一技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中可以有效地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，降低人員的工作量，提升數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。后來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使得圖像處理技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。之后，農(nóng)業(yè)機(jī)械方面的機(jī)器視覺(jué)也有了較高的進(jìn)展，使得這一技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中運(yùn)用的越來(lái)越廣泛。這一技術(shù)運(yùn)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械上可以進(jìn)行播種、檢測(cè)、灌溉以及收獲等各方面的操作。

1.機(jī)器視覺(jué)

機(jī)器視覺(jué)包含了數(shù)字圖像處理技術(shù)、控制工程技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械電子工程技術(shù)等一系列綜合類型的復(fù)雜技術(shù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)模擬人類眼睛功能用于機(jī)器人上，使機(jī)器人擁有和人類眼睛相似的功能，從而使人類通過(guò)機(jī)器人觀察到的事物傳回到計(jì)算機(jī)上，讓人類不用親自去現(xiàn)場(chǎng)即可看到現(xiàn)場(chǎng)圖像而操控機(jī)器人來(lái)完成工作。機(jī)器視覺(jué)的原理是傳感器接收到凸透鏡所形成的圖像，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理分析，然后將信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖片，從而能夠看到與機(jī)器人在現(xiàn)場(chǎng)看到相同的場(chǎng)景。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)經(jīng)歷了一維、二維、三維等三種成像技術(shù)形式。其中最早的成像形式是簡(jiǎn)單的一維視覺(jué)成像技術(shù)，一維成像只是對(duì)成像對(duì)象的形狀、大小、顏色和場(chǎng)景光照等簡(jiǎn)單的信息識(shí)別和檢測(cè)。由于這一技術(shù)較為簡(jiǎn)單，因此比較容易來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以使用的比較廣泛。慢慢地人們發(fā)現(xiàn)一維成像存在著各種缺點(diǎn)，因此研究出來(lái)了二維成像技術(shù)。二維成像技術(shù)可以將機(jī)器人所看到的場(chǎng)景通過(guò)信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，然后利用技術(shù)將信號(hào)轉(zhuǎn)換為二維圖片，再進(jìn)行圖像分析處理，呈現(xiàn)出清晰的圖像能夠更好地把握現(xiàn)場(chǎng)的情況。目前，二維視覺(jué)成像技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的，既比一維視覺(jué)成像技術(shù)清楚又比三維的技術(shù)要求低。在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的使用主要是識(shí)別農(nóng)作物。三維視覺(jué)成像技術(shù)，讓人有著身臨其境的感覺(jué)，讓你看到的場(chǎng)景更能真實(shí)的反映出現(xiàn)場(chǎng)。不僅能夠反映出一維視覺(jué)成像所能反映的狀態(tài)，還能夠了解所處的環(huán)境、地理位置等信息，但是所要求的技術(shù)較高。

2.機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的構(gòu)成

圖像獲取功能和圖像處理技術(shù)兩部分構(gòu)成了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。通過(guò)機(jī)器人將被觀測(cè)到的場(chǎng)景轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)的信號(hào)最后再生成圖像，這就是圖像獲取功能。攝像機(jī)、光源照明以及圖像采集卡是圖像獲取功能最主要的三個(gè)部分。如何對(duì)圖像進(jìn)行處理是非常重要的，由于對(duì)圖像進(jìn)行后期的處理以及運(yùn)算所需要的硬件要求較高。因此處理圖像所需要的信號(hào)處理卡較為重要，使用較好的信號(hào)處理卡才能得到更為清晰的圖像。通過(guò)圖像識(shí)別、理解內(nèi)容、加強(qiáng)圖像以及信號(hào)的傳輸是經(jīng)常使用的圖像處理方法。

3.機(jī)械視覺(jué)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題

如今傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?，圖像處理能力有著顯著的提升，但是在農(nóng)業(yè)機(jī)械的機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用還存在著一定的問(wèn)題。機(jī)器視覺(jué)通過(guò)紅外光譜反饋的信號(hào)，通過(guò)處理后得到的圖像不能夠使機(jī)器人對(duì)工作對(duì)象有著高度的識(shí)別能力，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤的情況。還有就是目前大多數(shù)機(jī)器人只能夠進(jìn)行外部品質(zhì)的檢測(cè)，農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)了問(wèn)題是不能夠檢測(cè)出來(lái)的，想要更好地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)還需要深入研究。當(dāng)產(chǎn)品是動(dòng)態(tài)的時(shí)候檢測(cè)的效率往往較低，只有對(duì)靜態(tài)的產(chǎn)品有較高的檢測(cè)效率。在圖像處理這一方面，二維圖像技術(shù)已經(jīng)逐漸不能夠滿足廣大人民的需求，但是三維圖像技術(shù)又不夠完善，存在著許多的缺陷，且圖像處理技術(shù)也不完善，因此需要提高這一方面的技術(shù)才能夠解決這一方面的問(wèn)題。

4.機(jī)器視覺(jué)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)機(jī)械的研發(fā)中機(jī)器視覺(jué)技術(shù)最早使用的是歐美國(guó)家，在20世紀(jì)80年代，歐美國(guó)家就將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)中，最早是用來(lái)檢測(cè)一些水果和蔬菜的質(zhì)量和產(chǎn)品等級(jí)，如：蘋果、梨子、西紅柿、李子等。后來(lái)傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)逐漸應(yīng)用得更加廣泛。例如：采摘農(nóng)作物、除草除蟲、分揀果實(shí)與種子以及控制農(nóng)作物的生長(zhǎng)等。

4.1 搬運(yùn)、采摘農(nóng)業(yè)機(jī)器人

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)器人上，這種機(jī)器人是一種擁有自主活動(dòng)功能、具體感知、重復(fù)編程的自動(dòng)化設(shè)備，主要的操作對(duì)象是農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，可以讓農(nóng)民提高工作效率、減低工作強(qiáng)度、增強(qiáng)工作的安全性。根據(jù)調(diào)查可知，現(xiàn)今的農(nóng)業(yè)機(jī)器人主要是用來(lái)搬運(yùn)和采摘農(nóng)產(chǎn)品的。用來(lái)搬運(yùn)的機(jī)器人需要較高的技術(shù)，因?yàn)檫@種機(jī)器人需要在復(fù)雜的環(huán)境中識(shí)別出農(nóng)產(chǎn)品，并聚集好產(chǎn)品以便于更好的運(yùn)輸。同時(shí)這類機(jī)器人還需要能夠識(shí)別出正確的路線然后自己行走到目的地。用于采摘的機(jī)器人相較于前一種機(jī)器人而言較為簡(jiǎn)單，通常是機(jī)械手臂，輔助農(nóng)民進(jìn)行采摘。一些農(nóng)作物在采摘過(guò)程中較為麻煩，且對(duì)身體的傷害較大，通常會(huì)用到這一類機(jī)器人。例如對(duì)菠蘿的采摘，通常農(nóng)民在采摘過(guò)程中需要戴著手套，但有時(shí)還是會(huì)對(duì)手造成一定的傷害，且有些植株高度和人身高相差較大，因此使用這一類機(jī)器人可以大大地提高采摘的效率和保障農(nóng)民的安全。

最開(kāi)始農(nóng)業(yè)機(jī)器人只有國(guó)外在應(yīng)用，在20世紀(jì)的80年代日本就研發(fā)出來(lái)了櫻桃采摘的機(jī)器人，這種機(jī)器人能夠進(jìn)行采摘果實(shí)并且還可以識(shí)別出果實(shí)的數(shù)量。我國(guó)這類機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用相對(duì)而言要晚得多，直到2009年才研發(fā)出來(lái)采摘黃瓜的機(jī)器人，實(shí)行了農(nóng)業(yè)機(jī)器零的突破。這一款農(nóng)業(yè)機(jī)器人對(duì)黃瓜果實(shí)的識(shí)別主要通過(guò)紅外光譜進(jìn)行分析，然后使用立體技術(shù)來(lái)識(shí)別目標(biāo)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)果實(shí)的定位。隨著技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

4.2 分揀、檢測(cè)機(jī)器人

分揀類型的機(jī)器人也用著一定的應(yīng)用，主要的作用是對(duì)不同的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)分揀和檢測(cè)。對(duì)水果和蔬菜進(jìn)行分類的時(shí)候通過(guò)其形狀、大小、顏色等各方面的特征來(lái)進(jìn)行分類和篩選；還可以對(duì)水稻、小麥、玉米等農(nóng)作物的品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)；其中對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品的檢測(cè)是其最大的特色，這類機(jī)器人可以通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在家禽孵化的早期對(duì)其進(jìn)行生命活力的檢測(cè)，從而可以剔除掉不能夠孵化的蛋，使得孵化率提高。

4.3 噴霧機(jī)器人

傳統(tǒng)的噴灑農(nóng)藥的方式有著效率低下、噴灑不均勻、浪費(fèi)率高、污染環(huán)境等較多的缺點(diǎn)，且比較浪費(fèi)人力和物力，造成較高的經(jīng)濟(jì)損失。噴霧機(jī)器人可以通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)對(duì)所需要噴灑藥物的植株進(jìn)行定向、均勻地噴灑，這樣不僅可以使所需要噴灑藥物的植物得到良好的噴灑效果還可以節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。這種機(jī)器人的原理是利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)使噴頭直接對(duì)所需噴灑的植物進(jìn)行定位，并且利用這一技術(shù)根據(jù)所要噴灑目標(biāo)所處的環(huán)境、大小等情況進(jìn)行噴灑角度的調(diào)整和噴灑量的控制。例如棉花的生長(zhǎng)，在新疆地區(qū)種植著大量的棉花，在棉花即將進(jìn)入收獲期時(shí)需要噴灑特定的藥水使棉花葉子脫落，這樣就可以在棉花成熟期時(shí)獲得更多的棉花，提高棉花的品質(zhì)。傳統(tǒng)的農(nóng)藥噴灑都是種植戶們親自去棉花地里噴灑農(nóng)藥，由于往往是開(kāi)著特定的車在田里噴灑，一般情況下就會(huì)造成一定量棉花的損傷，并且藥物噴灑得不均勻也會(huì)導(dǎo)致有些棉花的葉子由于沒(méi)噴到藥水而無(wú)法脫落，這樣就會(huì)造成棉花產(chǎn)量的降低。而使用這類機(jī)器人就不會(huì)出現(xiàn)這種情況，可以讓棉花的葉子全部脫落且不會(huì)造成浪費(fèi)和環(huán)境的污染，同時(shí)也可以提高棉花的產(chǎn)量。使用噴霧機(jī)器人后還可以減少員工數(shù)量，降低人員成本以及保護(hù)環(huán)境等各種好處。

4.4 加工機(jī)器人

加工機(jī)器人主要是對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行特定的加工，在加工的過(guò)程中運(yùn)用到了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，運(yùn)用這一技術(shù)可以對(duì)加工的產(chǎn)品進(jìn)行品質(zhì)的檢測(cè)，可以通過(guò)反饋回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行加工的調(diào)整。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷深化，現(xiàn)如今機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械上得到的重視越來(lái)越高，研究農(nóng)業(yè)機(jī)械的方向越來(lái)越多，運(yùn)用的也越來(lái)越廣泛。對(duì)于農(nóng)業(yè)大國(guó)的我國(guó)，如果能夠?qū)C(jī)器視覺(jué)更好的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械上，可以使農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展得更好。將會(huì)大幅度提高我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。